JP4083718B2 - Electro-optic sensor - Google Patents

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Description

本発明は、振幅の大きな出力電気信号が得られる高感度な電気光学センサに関するものである。   The present invention relates to a highly sensitive electro-optic sensor capable of obtaining an output electric signal having a large amplitude.

電気光学(Electro-Optic、以下、適宜EOと略す)結晶を用いたEOセンサは、電圧センサなどとして幅広く利用されており、年々その重要性が高まっている。   An EO sensor using an electro-optic (hereinafter referred to as EO as appropriate) crystal is widely used as a voltage sensor or the like, and its importance is increasing year by year.

EOセンサでは、電界の結合でEO結晶の複屈折率が変化することを利用し、こうして複屈折率が変化したEO結晶に光を入射させて光の位相を変化させ、EO結晶から出射した光の位相変化量を電気的に検出する。
特許3507007号公報 特許3507008号公報 特開2003−98205号公報
The EO sensor utilizes the fact that the birefringence of the EO crystal changes due to the coupling of the electric field, so that light is incident on the EO crystal whose birefringence has changed in this way, the phase of the light is changed, and the light emitted from the EO crystal. The phase change amount is detected electrically.
Japanese Patent No. 3507007 Japanese Patent No. 3507008 JP 2003-98205 A

しかしながら、EO結晶を1回通過した光の位相変化量は小さく、そのため、振幅の大きな出力電気信号を得る、つまり感度を高めるのが困難である。   However, the amount of phase change of the light that has passed through the EO crystal once is small, so that it is difficult to obtain an output electric signal having a large amplitude, that is, to increase sensitivity.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振幅の大きな出力電気信号が得られる高感度な電気光学センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly sensitive electro-optic sensor capable of obtaining an output electric signal having a large amplitude.

上記の課題を解決するために、請求項1の本発明は、電界の結合で屈折率が変化する電気光学結晶と、この電気光学結晶に電界を結合させるための電極と、前記電気光学結晶に光を入射させる光源と、前記電気光学結晶からの光の出射面に形成された膜または当該出射面の奥に配置された鏡であって光を透過および反射する第1部材と、前記電気光学結晶の前記光源からの光の入射面に形成された膜または当該入射面の手前に配置された鏡であって光を透過および反射する第2部材と、前記第1部材から奥に出射する第1出射光を電気信号に変換する第1出射光検出器と、前記第2部材から手前に出射する第2出射光を取り出す偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで取り出した第2出射光を電気信号に変換する第2出射光検出器と、前記第1出射光検出器と前記第2出射光検出器で変換された各電気信号を差動増幅する差動アンプとを備えることを特徴とする電気光学センサをもって解決手段とする。 In order to solve the above problems, the present invention of claim 1 is directed to an electro-optic crystal whose refractive index changes by coupling of an electric field, an electrode for coupling an electric field to the electro-optic crystal, and the electro-optic crystal. A light source for allowing light to enter; a film formed on an emission surface of light from the electro-optic crystal; or a mirror disposed behind the emission surface, which transmits and reflects light; and the electro-optic A film formed on the incident surface of light from the light source of the crystal or a mirror disposed in front of the incident surface, a second member that transmits and reflects light, and a first member that emits light from the first member to the back A first outgoing light detector for converting one outgoing light into an electrical signal; a polarizing beam splitter for taking out the second outgoing light emitted from the second member; and a second outgoing light taken out by the polarizing beam splitter as electric Second outgoing light detection to convert to signal And vessels, and solutions with an electro-optical sensor, characterized in that it comprises a differential amplifier for differentially amplifying the converted electrical signals are in the second outgoing light detector, the first outgoing light detector.

請求項1の本発明によれば、第1部材と第2部材とを設けたことで、第1部材と第2部材とが光の共振器を構成し、電気光学結晶の中を光が多数回往復するので、振幅の大きな出力電気信号を得ることができる。   According to the first aspect of the present invention, by providing the first member and the second member, the first member and the second member constitute a light resonator, and a large amount of light is contained in the electro-optic crystal. Since it reciprocates times, an output electric signal having a large amplitude can be obtained.

また、請求項記載の本発明によれば、第2部材から手前に出射する第2出射光を取り出す偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタで取り出した第2出射光を電気信号に変換する第2出射光検出器と、第1出射光検出器と第2出射光検出器で変換された各電気信号を差動増幅する差動アンプとを設けたことで、出力信号の振幅を2倍に増大することができる。また、差動信号検出によって直流成分をゼロにすることができる。 Further, according to the present invention as set forth in claim 1, a polarization beam splitter for taking out a second outgoing light emitted from the second member forward, first converting the second outgoing light taken out by the polarizing beam splitter into an electric signal 2 output light detectors, and a differential amplifier that differentially amplifies each electrical signal converted by the first output light detector and the second output light detector, thereby doubling the amplitude of the output signal Can be increased. Further, the DC component can be made zero by the differential signal detection.

請求項の本発明は、前記第1部材および第2部材で構成される共振器の、前記電気光学結晶に電界を結合させていないときの反射率を、該反射率の変化率が最も大きいときの反射率としたことを特徴とする請求項1記載の電気光学センサをもって解決手段とする。 According to the second aspect of the present invention, the reflectance of the resonator constituted by the first member and the second member when the electric field is not coupled to the electro-optic crystal has the largest change rate of the reflectance. and solutions with an electro-optical sensor according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that the reflectance when.

請求項の本発明によれば、反射率を、該反射率の変化率が最も大きいときの反射率としたことで、第1出射光検出器と第2出射光検出器にそれぞれ入射する光の量を等しくすることができ、これにより、差動信号検出のときのレーザ強度雑音を大幅に低減できる。また、アンプが飽和するのを防止することができる。 According to the second aspect of the present invention, since the reflectance is the reflectance when the change rate of the reflectance is the largest, the light incident on the first outgoing light detector and the second outgoing light detector respectively. Can be made equal, thereby significantly reducing laser intensity noise during differential signal detection. It is also possible to prevent the amplifier from being saturated.

請求項の本発明は、前記差動アンプの出力から直流成分を検出し、この直流成分がなくなるように前記光源からの光の周波数または少なくとも一方の前記鏡の位置を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の電気光学センサをもって解決手段とする。 The present invention of claim 3 includes means for detecting a direct current component from the output of the differential amplifier and changing the frequency of light from the light source or the position of at least one of the mirrors so that the direct current component is eliminated. The electro-optical sensor according to claim 1 or 2 is used as a solving means.

請求項の本発明は、差動アンプの出力から直流成分を検出し、この直流成分がなくなるように光源からの光の周波数または少なくとも一方の鏡の位置を変化させる手段を備えたことで、温度変化に起因する出力信号のドリフトを防止することができる。 The present invention of claim 3 includes means for detecting a direct current component from the output of the differential amplifier and changing the frequency of light from the light source or the position of at least one mirror so that the direct current component is eliminated. It is possible to prevent drift of the output signal due to temperature change.

請求項の本発明は、前記第1部材の前記第2部材に対する面と、前記第2部材の前記第1部材に対する面とを、凹形の球面とし、前記第1部材の奥と前記第2部材の手前とに凸レンズを配置したことを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の電気光学センサをもって解決手段とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the surface of the first member with respect to the second member and the surface of the second member with respect to the first member are concave spherical surfaces, and the back of the first member and the first member claims 1, characterized in that a convex lens and in front of the two members with an electro-optical sensor according to any one of 3 to solutions.

請求項の本発明によれば、第1部材の第2部材に対する面と、第2部材の第1部材に対する面とを、凹形の球面とし、第1部材の奥と第2部材の手前とに凸レンズを配置したことで、電気光学結晶内での光の拡散によって出力電気信号の振幅が低下するのを防止することができる。 According to this invention of Claim 4 , the surface with respect to the 2nd member of a 1st member and the surface with respect to the 1st member of a 2nd member are made into a concave spherical surface, The back of a 1st member, and the front of a 2nd member Since the convex lenses are arranged at both sides, it is possible to prevent the amplitude of the output electric signal from being lowered due to the diffusion of light within the electro-optic crystal.

本発明の電気光学センサによれば、第1部材と第2部材とを設けたことで、第1部材と第2部材とが光の共振器を構成するので、振幅の大きな出力電気信号が得られる高感度な電気光学センサを提供することができる。   According to the electro-optic sensor of the present invention, since the first member and the second member are provided with the first member and the second member, an output electrical signal having a large amplitude is obtained. It is possible to provide a highly sensitive electro-optic sensor.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るEOセンサ1の構成図である。
[First embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram of an EO sensor 1 according to the first embodiment of the present invention.

EOセンサ1は、電界の結合で屈折率が変化するEO結晶11と、このEO結晶11に電界を結合させるための電極12,13と、EO結晶11にレーザ光などの光を入射させる光源14と、EO結晶11からの光の出射面に形成された膜11a(第1部材)と、EO結晶11の、光源14からの光の入射面に形成された膜11b(第2部材)と、膜11aから奥に出射する光(第1出射光)を電気信号に変換する光検出器PD1(第1出射光検出器)とを備える。各膜は、例えば、誘電体多層膜によるHigh-Refrection Coating:HRCにより、光を透過および反射、つまり光の一部を透過し一部を反射するように形成されている。   The EO sensor 1 includes an EO crystal 11 whose refractive index changes due to electric field coupling, electrodes 12 and 13 for coupling an electric field to the EO crystal 11, and a light source 14 that makes light such as laser light incident on the EO crystal 11. A film 11a (first member) formed on the light emission surface from the EO crystal 11, and a film 11b (second member) formed on the light incident surface of the EO crystal 11 from the light source 14. It comprises a photodetector PD1 (first emitted light detector) that converts light (first emitted light) emitted from the film 11a to the back into an electrical signal. Each film is formed so as to transmit and reflect light, that is, transmit a part of the light and reflect a part thereof by, for example, High-Refrection Coating: HRC using a dielectric multilayer film.

電極12は被測定信号入力ポートPINに接続される。電極13は基準電位となる物体に接続されるか、もしくはフローティングの状態に置かれる。光検出器PDの出力端子は出力ポートPOUTに接続されている。   The electrode 12 is connected to the measured signal input port PIN. The electrode 13 is connected to an object having a reference potential or placed in a floating state. The output terminal of the photodetector PD is connected to the output port POUT.

EOセンサ1では、膜11a,11bは光の共振器(以下、単に共振器という)を構成している。   In the EO sensor 1, the films 11a and 11b constitute an optical resonator (hereinafter simply referred to as a resonator).

図2(a)は、EO結晶11に電界を結合させていないときに共振器内を光が往復する際に生じる位相差を横軸にとり、そのときの反射率(以下、単に共振器の反射率という)を縦軸にとったグラフであり、図2(b)は、位相差が2π近傍である部分を拡大したグラフである。なお、共振器の透過率のグラフは反射率のグラフの上下を反転させたものとなる。   FIG. 2A shows the phase difference generated when light reciprocates in the resonator when no electric field is coupled to the EO crystal 11 on the horizontal axis, and the reflectivity (hereinafter simply referred to as reflection of the resonator). 2) is a graph in which a portion where the phase difference is in the vicinity of 2π is enlarged. The transmittance graph of the resonator is obtained by inverting the top and bottom of the reflectance graph.

これらの図に示すように、共振器の反射率は、例えば、位相差が2πである共振点より位相差が若干小さいところで変化率が最も大きく、このように変化率が最も大きい点が動作点として最適である。なお、その値は約0.5である。例えば、膜11aおよび膜11bの強度反射率を約80%とすることで、かかる反射率が得られる。なお、共振器の反射率は、製造上の都合などにより、例えば、0.3以上0.7以下としてもよい。これ以降は、反射率を0.5として説明するが、本発明は必ずしも反射率を限定して実施するものではない。   As shown in these figures, the reflectance of the resonator is, for example, the largest change rate when the phase difference is slightly smaller than the resonance point where the phase difference is 2π, and the point where the change rate is largest is the operating point. As best. The value is about 0.5. For example, the reflectance can be obtained by setting the intensity reflectance of the film 11a and the film 11b to about 80%. Note that the reflectivity of the resonator may be, for example, not less than 0.3 and not more than 0.7 for convenience of manufacturing. In the following description, the reflectance is assumed to be 0.5, but the present invention is not necessarily implemented with the reflectance being limited.

さて、EOセンサ1では、光源14からの光が共振器に入射すると、共振器内で反射を繰り返し、入射した光の約半分の量の光が共振器から出射される。その半分の量は光検出器PD1側に、残りの半分は光源14側に出射される。   In the EO sensor 1, when light from the light source 14 enters the resonator, reflection is repeated in the resonator, and about half of the incident light is emitted from the resonator. Half of the light is emitted to the photodetector PD1 side, and the other half is emitted to the light source 14 side.

この状態で被測定信号入力ポートPINに被測定信号を印加すると、EO結晶11に電界が結合され、共振器内で光が往復する際の位相差が変化するので、例えば、光検出器PD1側に出射する光の量が変化する。このとき、膜により共振器が構成されていること、しかも、共振器の反射率を上記のように設定することで、共振器の反射率が急激に変化するので、この光検出器PD1側に出射する光の変化量は、共振器を構成しない場合よりも格段に大きい。よって、光検出器PDから出力ポートPOUTに、被測定信号に応じた出力電気信号で且つ振幅の大きな出力電気信号が出力される。   When a signal to be measured is applied to the signal to be measured input port PIN in this state, an electric field is coupled to the EO crystal 11, and the phase difference when light reciprocates in the resonator changes. For example, the detector PD1 side The amount of light emitted to the light changes. At this time, since the resonator is constituted by the film, and the reflectance of the resonator is changed abruptly by setting the reflectance of the resonator as described above, the light detector PD1 side is brought to this side. The amount of change in the emitted light is much larger than when no resonator is configured. Accordingly, an output electrical signal corresponding to the signal under measurement and having a large amplitude is output from the photodetector PD to the output port POUT.

したがって、第1の実施の形態によれば、EO結晶11の光の入射面および出射面に膜を設けたことで、各膜が共振器(光の共振器)を構成し、EO結晶の中を光が多数回往復するので、振幅の大きな出力電気信号が得られる。また、共振器の反射率を上記のように設定することで、より振幅の大きい出力電気信号が得られる。   Therefore, according to the first embodiment, the films are provided on the light incident surface and the light exit surface of the EO crystal 11 so that each film constitutes a resonator (light resonator). Since the light travels back and forth many times, an output electric signal having a large amplitude can be obtained. Further, by setting the reflectance of the resonator as described above, an output electric signal having a larger amplitude can be obtained.

[第2の実施の形態]
図3は、本発明の第2の実施の形態に係るEOセンサ2の構成図である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a configuration diagram of the EO sensor 2 according to the second embodiment of the present invention.

EOセンサ2は、EOセンサ1の構成に加えて、膜11bから手前に出射する光(第2出射光)を取り出す偏光ビームスプリッタPBS1を備えた光サーキュレータ15と、偏光ビームスプリッタPBS1で取り出した光を電気信号に変換する光検出器PD2(第2出射光検出器)と、光検出器PD1と光検出器PD2で変換された各電気信号を差動増幅する差動アンプDAと、この差動アンプDAの出力から低周波数成分(便宜的に直流成分という)を通過させるローパスフィルタLPFおよび積分器16を備え、直流成分がなくなるように、積分器16の出力で光源14からの光の周波数を変化させるようになっている。   The EO sensor 2 includes, in addition to the configuration of the EO sensor 1, an optical circulator 15 including a polarizing beam splitter PBS1 that extracts light (second outgoing light) emitted from the film 11b to the front, and light extracted by the polarizing beam splitter PBS1. A photodetector PD2 (second outgoing light detector) for converting the signal into an electrical signal, a differential amplifier DA for differentially amplifying the electrical signals converted by the photodetector PD1 and the photodetector PD2, and the differential A low-pass filter LPF that passes a low-frequency component (referred to as a DC component for convenience) and an integrator 16 from the output of the amplifier DA is provided, and the frequency of light from the light source 14 is adjusted by the output of the integrator 16 so that the DC component is eliminated. It is supposed to change.

さて、EOセンサ2では、光源14からの直線偏光が偏光ビームスプリッタPBS1でS偏光とP偏光に分離され、P偏光は、光サーキュレータ15のファラデー回転子FR、1/2波長板HWP、偏光ビームスプリッタPBS2を順次に通過して、共振器に入射する。   Now, in the EO sensor 2, the linearly polarized light from the light source 14 is separated into S-polarized light and P-polarized light by the polarization beam splitter PBS1, and the P-polarized light is the Faraday rotator FR, the half-wave plate HWP, the polarized beam of the optical circulator 15. The light passes through the splitter PBS2 sequentially and enters the resonator.

P偏光が共振器に入射すると、共振器内で反射を繰り返し、入射したP偏光の約半分の量のP偏光が共振器から出射される。その半分の量は光検出器PD1側に、残りの半分は光源14側に出射される。   When P-polarized light enters the resonator, reflection is repeated in the resonator, and P-polarized light having an amount that is approximately half of the incident P-polarized light is emitted from the resonator. Half of the light is emitted to the photodetector PD1 side, and the other half is emitted to the light source 14 side.

この状態で被測定信号入力ポートPINに交流成分を含む被測定信号を印加すると、EO結晶11に電界が結合される。これにより、共振器内で光が往復する際の位相差が変化するので、共振器の透過率と反射率が逆相に変化する。すなわち、共振器の透過率が増えた瞬間には反射率は減っており、透過率が減った瞬間には反射率は増えている。   When a signal under measurement including an AC component is applied to the signal under test input port PIN in this state, an electric field is coupled to the EO crystal 11. As a result, the phase difference when light reciprocates in the resonator changes, so that the transmittance and reflectance of the resonator change in opposite phases. That is, the reflectance decreases at the moment when the transmittance of the resonator increases, and the reflectance increases at the moment when the transmittance decreases.

光検出器PD1側に出射したP偏光を、光検出器PD1は電気信号に変換する。一方、光源14側に出射したP偏光は、偏光ビームスプリッタPBS2を通過し、さらに1/2波長板HWP、ファラデー回転子FRを順次に通過することでS偏光となる。偏光ビームスプリッタPBS1は、このS偏光を光検出器PD2へと反射させる。このS偏光は、光検出器PD2で電気信号に変換される。   The photodetector PD1 converts the P-polarized light emitted to the photodetector PD1 side into an electric signal. On the other hand, the P-polarized light emitted to the light source 14 side passes through the polarization beam splitter PBS2, and further passes through the half-wave plate HWP and the Faraday rotator FR in order to become S-polarized light. The polarization beam splitter PBS1 reflects this S-polarized light to the photodetector PD2. This S-polarized light is converted into an electric signal by the photodetector PD2.

差動アンプDAは、各光検出器PD1およびPD2で変換された電気信号を差動増幅する。共振器の透過率と反射率が等しいので、各光検出器PD1およびPD2が出力する電気信号の直流成分は等しい。したがって差動アンプDAの出力信号には直流成分は含まれない。また差動信号検出によって、第1の実施例と比較して、2倍の信号振幅を得ることができる。またレーザ強度雑音を低減することができる。したがって、より感度の高い検出が可能となる。   The differential amplifier DA differentially amplifies the electric signals converted by the photodetectors PD1 and PD2. Since the transmittance and reflectance of the resonator are equal, the direct current components of the electrical signals output from the photodetectors PD1 and PD2 are equal. Therefore, a direct current component is not included in the output signal of the differential amplifier DA. Further, by differential signal detection, it is possible to obtain a signal amplitude that is twice that of the first embodiment. In addition, laser intensity noise can be reduced. Therefore, detection with higher sensitivity is possible.

ところで、EOセンサ2では、光源14からの光の周波数を適切に定めないと、共振器の透過率と反射率を等しくすることができない。言い換えると、被測定信号がゼロの場合に、差動増幅器の出力をゼロにできない。また仮に、光の周波数が適切に設定されていたとしても、その周波数は周囲温度によって変化する場合がしばしばあるので、差動増幅器の出力がドリフトしてしまう。   By the way, in the EO sensor 2, unless the frequency of the light from the light source 14 is appropriately determined, the transmittance and reflectance of the resonator cannot be made equal. In other words, when the signal under measurement is zero, the output of the differential amplifier cannot be zero. Even if the frequency of light is set appropriately, the frequency often varies depending on the ambient temperature, so that the output of the differential amplifier drifts.

そこでEOセンサ2では、ローパスフィルタLPFと積分器16で、差動増幅器の出力信号の直流成分がなくなる(ゼロになる)ように、光源14からの光の周波数を制御する。これにより、周囲の温度変化などに起因する差動増幅器の出力ドリフトを抑えることができるので、被測定信号を常に安定かつ高感度に検出することが可能になる。   Therefore, in the EO sensor 2, the frequency of the light from the light source 14 is controlled by the low pass filter LPF and the integrator 16 so that the DC component of the output signal of the differential amplifier is eliminated (becomes zero). As a result, the output drift of the differential amplifier due to the ambient temperature change or the like can be suppressed, so that the signal under measurement can always be detected stably and with high sensitivity.

[第3の実施の形態]
図4は、本発明の第3の実施の形態に係るEOセンサ3の構成図である。
[Third embodiment]
FIG. 4 is a configuration diagram of the EO sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.

EOセンサ3では、EOセンサ2における光サーキュレータ15と共振器の間に1/4波長板QWPが設けられているため、共振器で反射された光は円偏光となって光サーキュレータ15に入射する。   In the EO sensor 3, since the quarter-wave plate QWP is provided between the optical circulator 15 and the resonator in the EO sensor 2, the light reflected by the resonator becomes circularly polarized light and enters the optical circulator 15. .

入射した光は光サーキュレータ15によってS偏光およびP偏光に分離され、光検出器PD21およびPD2で電気信号に変換される。したがって、加算アンプAA2の出力は、共振器で反射された光の全強度に対応している。   The incident light is separated into S-polarized light and P-polarized light by the optical circulator 15, and converted into electric signals by the photodetectors PD21 and PD2. Therefore, the output of the adding amplifier AA2 corresponds to the total intensity of the light reflected by the resonator.

一方で、共振器を透過した光は、偏光ビームスプリッタPBS3でS偏光およびP偏光に分離された後、それぞれ光検出器PD11およびPD1で電気信号に変換される。したがって、加算アンプAA1の出力は、共振器を透過した全強度に対応している。   On the other hand, the light transmitted through the resonator is separated into S-polarized light and P-polarized light by the polarization beam splitter PBS3, and then converted into electric signals by the photodetectors PD11 and PD1, respectively. Therefore, the output of the adding amplifier AA1 corresponds to the total intensity transmitted through the resonator.

EO結晶11に被測定信号が印加された場合には、その信号に応じてS偏光およびP偏光成分が逆相で変化するので、差動アンプDA1から出力ポートPOUTに被測定信号に応じた信号が出力される。   When a signal under measurement is applied to the EO crystal 11, the S-polarized light and P-polarized light components change in opposite phases according to the signal, so that a signal corresponding to the signal under measurement is sent from the differential amplifier DA1 to the output port POUT. Is output.

また、差動アンプDA2の出力は、共振器を透過した光と反射した光の強度の差に対応しているので、第2の実施の形態と同様に、差動アンプDA2の出力の直流成分がなくなるように、LPFと積分器16を使って光の周波数を制御することにより、共振器の透過光と反射光の強度比を常に1:1に保つことが可能になる。   Since the output of the differential amplifier DA2 corresponds to the difference in intensity between the light transmitted through the resonator and the reflected light, the DC component of the output of the differential amplifier DA2 is the same as in the second embodiment. By controlling the frequency of light using the LPF and the integrator 16 so as to eliminate this, the intensity ratio between the transmitted light and the reflected light of the resonator can always be kept at 1: 1.

[第4の実施の形態]
図5は、本発明の第4の実施の形態に係るEOセンサ4の構成図である。
[Fourth embodiment]
FIG. 5 is a configuration diagram of the EO sensor 4 according to the fourth embodiment of the present invention.

EOセンサ4は、EOセンサ2の膜11aに代えて、EO結晶11の光の出射面の奥に、上記同様に光を透過および反射する鏡17a(第1部材)を設け、EOセンサ2の膜11bに代えて、EO結晶11の光の入射面の手前に同様な鏡17b(第2部材)を設け、ローパスフィルタLPFと積分器16で、差動アンプDAの出力における直流成分を検出し、この直流成分がなくなるように、鏡17aの位置(光路の方向における位置)を変化させるようにしたものである。   The EO sensor 4 is provided with a mirror 17a (first member) that transmits and reflects light similarly to the above in the back of the light emission surface of the EO crystal 11 instead of the film 11a of the EO sensor 2. In place of the film 11b, a similar mirror 17b (second member) is provided in front of the light incident surface of the EO crystal 11, and the DC component in the output of the differential amplifier DA is detected by the low-pass filter LPF and the integrator 16. The position of the mirror 17a (position in the direction of the optical path) is changed so that this direct current component is eliminated.

差動アンプDAの出力における直流成分は、光の周波数ではなく、共振器内の光路長を制御することによって一定に保つことが可能である。EOセンサ4では、ローパスフィルタLPFと積分器16で、差動アンプDAの出力における直流成分を検出し、鏡17aの位置を変化させる。なお、EOセンサ4では、鏡17bの位置を変化させてもよい。   The direct current component in the output of the differential amplifier DA can be kept constant by controlling the optical path length in the resonator, not the frequency of light. In the EO sensor 4, the low-pass filter LPF and the integrator 16 detect a DC component in the output of the differential amplifier DA, and change the position of the mirror 17a. In the EO sensor 4, the position of the mirror 17b may be changed.

したがって、第4の実施の形態によれば、差動アンプDAの出力における直流成分を検出し、この直流成分がなくなるように、鏡の位置を変化させることで、出力電気信号の振幅低下と温度によるドリフトを防止することができる。   Therefore, according to the fourth embodiment, the DC component in the output of the differential amplifier DA is detected, and the position of the mirror is changed so that this DC component is eliminated. Drift due to can be prevented.

[第5の実施の形態]
図6は、本発明の第5の実施の形態に係るEOセンサ5の構成図である。
[Fifth embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram of the EO sensor 5 according to the fifth embodiment of the present invention.

EOセンサ5は、EOセンサ4において、鏡17aの鏡17bに対する面を凹形の球面とし、鏡17bの鏡17aに対する面を凹形の球面とし、鏡17aの奥に凸レンズ18aを配置し、鏡17bの手前に凸レンズ18bを配置したものである。   In the EO sensor 5, the surface of the mirror 17a with respect to the mirror 17b is a concave spherical surface, the surface of the mirror 17b with respect to the mirror 17a is a concave spherical surface, and a convex lens 18a is disposed behind the mirror 17a. A convex lens 18b is arranged in front of 17b.

これまで説明したEOセンサ1〜4では、膜や鏡の反射率が高い場合、また、EO結晶11内での光の損失が小さい場合には、共振器のQ値が上昇し、EO結晶11内での反射回数が多くなり、EO結晶11内で光が拡散する。電極12,13間の距離が短い場合には、電極での光の反射が起こり、出力電気信号が不安定になる畏れがある。   In the EO sensors 1 to 4 described so far, when the reflectance of the film or mirror is high, or when the loss of light in the EO crystal 11 is small, the Q value of the resonator increases, and the EO crystal 11 The number of reflections within the EO increases, and light diffuses within the EO crystal 11. When the distance between the electrodes 12 and 13 is short, reflection of light at the electrodes may occur and the output electric signal may become unstable.

EOセンサ5では、凸レンズ18bを設けたことで、光源14側からの光をEO結晶11内で細く絞ることができる。また、細く絞った光はEO結晶11内で広がり、光検出器PD1へと出射されるが、凸レンズ18aを設けたことで、光検出器PD1への光が広がったままになるのを防止することができる。   In the EO sensor 5, the light from the light source 14 side can be narrowed down within the EO crystal 11 by providing the convex lens 18 b. Further, the narrowly focused light spreads in the EO crystal 11 and is emitted to the photodetector PD1, but the convex lens 18a is provided to prevent the light to the photodetector PD1 from remaining spread. be able to.

また、EOセンサ5では、鏡17aの鏡17bに対する面を凹形の球面とし、鏡17bの鏡17aに対する面を凹形の球面としたことで、EO結晶11からの広がっていく光を反射し且つ反射した光を細く絞ってEO結晶11内に戻すことができる。   In the EO sensor 5, the surface of the mirror 17a with respect to the mirror 17b is a concave spherical surface, and the surface of the mirror 17b with respect to the mirror 17a is a concave spherical surface, so that the light spreading from the EO crystal 11 is reflected. In addition, the reflected light can be narrowed down and returned to the EO crystal 11.

[第6の実施の形態]
図7は、本発明の第6の実施の形態に係るEOセンサ6の構成図である。
[Sixth embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram of the EO sensor 6 according to the sixth embodiment of the present invention.

EOセンサ6は、EOセンサ2において、膜11aの膜11bに対する面を凹形の球面とし、膜11bの膜11aに対する面を凹形の球面とし、鏡11aの奥に凸レンズ18aを配置し、膜11bの手前に凸レンズ18bを配置したものである。   In the EO sensor 6, the surface of the film 11a with respect to the film 11b is a concave spherical surface, the surface of the film 11b with respect to the film 11a is a concave spherical surface, and a convex lens 18a is disposed behind the mirror 11a. A convex lens 18b is arranged in front of 11b.

この第6の実施の形態では、EOセンサ6の膜が、EOセンサ5の鏡と同様に作用するので、EOセンサ5と同様の作用効果を得ることができる。   In the sixth embodiment, since the film of the EO sensor 6 acts in the same manner as the mirror of the EO sensor 5, the same effect as the EO sensor 5 can be obtained.

なお、EOセンサ5やEOセンサ6では、凸レンズで絞られた光は平面波ではなく、回折効果により、その波面が球面になっているので、凹形の球面の曲率半径と光の波面の曲率半径とを一致させるのが好ましい。   In the EO sensor 5 and the EO sensor 6, the light focused by the convex lens is not a plane wave but its wavefront is a spherical surface due to a diffraction effect. Therefore, the radius of curvature of the concave spherical surface and the radius of curvature of the wavefront of the light are as follows. Is preferably matched.

したがって、第5または第6の実施の形態によれば、膜や鏡の相手に対する面を凹形の球面とし、膜や鏡の手前と奥に凸レンズを配置したことで、EO結晶11内での光の拡散によって差動アンプDAからの出力電気信号の振幅が低下するのを防止することができる。   Therefore, according to the fifth or sixth embodiment, the surface of the membrane or mirror with respect to the other side is a concave spherical surface, and the convex lenses are arranged in front of and behind the membrane or mirror. It is possible to prevent the amplitude of the output electric signal from the differential amplifier DA from being reduced due to light diffusion.

[第7の実施の形態]
図8は、EOセンサ2を人体通信に用いた場合の構成図である。
[Seventh embodiment]
FIG. 8 is a configuration diagram when the EO sensor 2 is used for human body communication.

EOセンサ2を人体通信に用いる場合には、EOセンサ2が携帯されることが多いので、電極13は、大地グランドから離れた、EOセンサ2のグランド電極13aに接続される。一方の電極12に接続された被測定信号入力ポートPINは、人体に接触させた受信用電極51にリード線を介して接続される。また、人体には、送信用電極52が接触しており、この送信用電極52と大地グランドとの間に発信器53が接続される。   When the EO sensor 2 is used for human body communication, since the EO sensor 2 is often carried, the electrode 13 is connected to the ground electrode 13a of the EO sensor 2 that is away from the ground. The measured signal input port PIN connected to one of the electrodes 12 is connected via a lead wire to the receiving electrode 51 brought into contact with the human body. Further, the transmission electrode 52 is in contact with the human body, and the transmitter 53 is connected between the transmission electrode 52 and the ground.

この第7の実施の形態では、発信器53の信号は、入力信号として送信用電極52、受信用電極51を経由して、被測定信号入力ポートPINに与えられる。EOセンサ2は、前述した動作により、被測定信号入力ポートPINに与えられ信号に応じた出力信号を出力する。しかも、前述したように、振幅の大きく、しかも飽和することの少ない出力電気信号が得られる。また、EO結晶11に結合される電界の交流成分に応じた出力電気信号を得ることができる。また、出力電気信号の振幅低下と温度によるドリフトを防止することができる。   In the seventh embodiment, the signal of the transmitter 53 is given as an input signal to the measured signal input port PIN via the transmission electrode 52 and the reception electrode 51. The EO sensor 2 outputs an output signal corresponding to the signal given to the measured signal input port PIN by the above-described operation. Moreover, as described above, an output electric signal having a large amplitude and little saturation can be obtained. In addition, an output electric signal corresponding to the AC component of the electric field coupled to the EO crystal 11 can be obtained. Further, it is possible to prevent a decrease in amplitude of the output electric signal and a drift due to temperature.

[第8の実施の形態]
図9は、EOセンサ2を被測定デバイスの検査に用いた場合の構成図である。
[Eighth embodiment]
FIG. 9 is a configuration diagram when the EO sensor 2 is used for inspection of a device under measurement.

被測定デバイス60には信号源61から入力信号が与えられる。被測定デバイス60は、例えば、不要な電磁波を発生している機器であり、このような被測定デバイス60を検査する際には、EOセンサ2を構成する電子部品を被測定デバイスから離すのが好ましい。   An input signal is given to the device under measurement 60 from a signal source 61. The device under measurement 60 is, for example, an apparatus that generates unnecessary electromagnetic waves. When inspecting such a device under measurement 60, the electronic components that constitute the EO sensor 2 are separated from the device under measurement. preferable.

この第8の実施の形態では、EOセンサ2のEO結晶11、電極12,13、光サーキュレータ15は、被測定デバイス60の被測定点に接触させる金属針101を備えたセンサヘッド100内に設けられる。   In the eighth embodiment, the EO crystal 11 of the EO sensor 2, the electrodes 12 and 13, and the optical circulator 15 are provided in a sensor head 100 including a metal needle 101 that is brought into contact with a measurement point of a device under measurement 60. It is done.

一方、光源14、光検出器PD1、PD2、差動アンプDA、ローパスフィルタLPF、積分器16は、センサヘッド100に対し、偏波保持ファイバ(Polarization Maintaining Fiber)である光ファイバ301、単一モードファイバ(Single-Mode Fiber)または多モードファイバ(Multi-Mode Fiber)である光ファイバ302、並びに単一モードファイバまたは多モードファイバである光ファイバ303で接続された信号処理装置200内に設けられる。   On the other hand, the light source 14, the photodetectors PD1 and PD2, the differential amplifier DA, the low-pass filter LPF, and the integrator 16 are connected to the sensor head 100 by an optical fiber 301 that is a polarization maintaining fiber, a single mode. The optical fiber 302 is a single-mode fiber or a multi-mode fiber, and the signal processing apparatus 200 is connected by an optical fiber 303 that is a single-mode fiber or a multi-mode fiber.

センサヘッド100では、電極12に接続された被測定信号入力ポートPINに対しリード線を介して金属針101が接続され、電極13はセンサヘッド100のグランド電極102に接続される。   In the sensor head 100, the metal needle 101 is connected to the signal input port PIN to be measured connected to the electrode 12 via a lead wire, and the electrode 13 is connected to the ground electrode 102 of the sensor head 100.

また、センサヘッド100では、光ファイバ301、光ファイバ302、光ファイバ303のそれぞれの端部に、コリメータ104、コリメータ105、コリメータ106が接続され、このコリメータ104は光サーキュレータ15の手前に配置される。   In the sensor head 100, a collimator 104, a collimator 105, and a collimator 106 are connected to respective end portions of the optical fiber 301, the optical fiber 302, and the optical fiber 303, and the collimator 104 is disposed in front of the optical circulator 15. .

また、センサヘッド100では、光サーキュレータ15が取り出した光を反射してコリメータ105に入射させる鏡107と、EO結晶11の奥へ出射した光を順次に反射してコリメータ106に入射させる2つの鏡107,108とが設けられる。   In the sensor head 100, the mirror 107 that reflects the light extracted by the optical circulator 15 and enters the collimator 105, and the two mirrors that sequentially reflect the light emitted to the back of the EO crystal 11 and enter the collimator 106. 107 and 108 are provided.

一方、信号処理装置200では、光ファイバ301、光ファイバ302、光ファイバ303のそれぞれの端部に、光源14、光検出器PD2、光検出器PD1が配置される。   On the other hand, in the signal processing device 200, the light source 14, the photodetector PD2, and the photodetector PD1 are disposed at the respective ends of the optical fiber 301, the optical fiber 302, and the optical fiber 303.

この第8の実施の形態では、金属針101が被測定デバイス60の被測定点に接触させると、信号源61からの入力信号が金属針101を介して、被測定信号入力ポートPINに与えられる。また、光源14からの光は光ファイバ301により光サーキュレータ15に供給される。また、膜11aからの光は鏡108,109で反射し、光ファイバ303により光検出器PD1に供給される。また、膜11bからの光は、光サーキュレータ15で取り出され、鏡107で反射し、光ファイバ302により光検出器PD2に供給される。これ以外の動作は、第2の実施の形態と同様であり、よって、振幅の大きく、しかも飽和することの少ない出力電気信号が得られる。また、EO結晶11に結合される電界の交流成分に応じた出力電気信号を得ることができる。また、出力電気信号の振幅低下と温度によるドリフトを防止することができる。   In the eighth embodiment, when the metal needle 101 is brought into contact with the measurement point of the device under measurement 60, an input signal from the signal source 61 is applied to the signal input port PIN to be measured via the metal needle 101. . The light from the light source 14 is supplied to the optical circulator 15 through the optical fiber 301. The light from the film 11a is reflected by the mirrors 108 and 109, and is supplied to the photodetector PD1 through the optical fiber 303. The light from the film 11b is extracted by the optical circulator 15, reflected by the mirror 107, and supplied to the photodetector PD2 by the optical fiber 302. The other operation is the same as that of the second embodiment, and therefore, an output electric signal having a large amplitude and less saturation is obtained. In addition, an output electric signal corresponding to the AC component of the electric field coupled to the EO crystal 11 can be obtained. Further, it is possible to prevent a decrease in amplitude of the output electric signal and a drift due to temperature.

また、この第8の実施の形態によれば、光源14からの光をEO結晶11に供給するための光ファイバ301と、膜11aから光検出器PD1に光を供給するための光ファイバと303と、膜11bから光検出器PD2に光を供給するための光ファイバ302とを備えたので、光源14、光検出器PD1および光検出器PD2をEO結晶11から離すことができ、よって、電気光学センサの構成の自由度を高めることができる。これにより、例えば、差動アンプDAの出力が電磁波の影響を受けないようにすることができる。   Further, according to the eighth embodiment, the optical fiber 301 for supplying the light from the light source 14 to the EO crystal 11, the optical fiber 303 for supplying the light from the film 11a to the photodetector PD1, and 303. And the optical fiber 302 for supplying light to the photodetector PD2 from the film 11b, the light source 14, the photodetector PD1 and the photodetector PD2 can be separated from the EO crystal 11, and thus the electrical The degree of freedom of the configuration of the optical sensor can be increased. Thereby, for example, the output of the differential amplifier DA can be prevented from being affected by electromagnetic waves.

なお、以上の説明では、EOセンサ1の構成と作用効果を説明してから、EOセンサ2以降のそれぞれに特有の構成および作用効果を説明したが、特有の構成同士を適宜組み合わせることで、組み合わせた構成に応じた作用効果を得ることができる。   In the above description, the configuration and operation effect of the EO sensor 1 are described, and then the configuration and operation effect unique to each of the EO sensor 2 and later are described. The effects according to the configuration can be obtained.

本発明の第1の実施の形態に係るEOセンサ1の構成図である。It is a lineblock diagram of EO sensor 1 concerning a 1st embodiment of the present invention. 図2(a)は、共振器内を光が往復する際に生じる位相差と共振器の反射率のグラフであり、図2(b)は、位相差が2π近傍である部分を拡大したグラフである。2A is a graph of the phase difference generated when light reciprocates in the resonator and the reflectance of the resonator, and FIG. 2B is an enlarged graph of a portion where the phase difference is in the vicinity of 2π. It is. 本発明の第2の実施の形態に係るEOセンサ2の構成図である。It is a block diagram of EO sensor 2 concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施の形態に係るEOセンサ3の構成図である。It is a block diagram of the EO sensor 3 which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係るEOセンサ4の構成図である。It is a block diagram of the EO sensor 4 which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係るEOセンサ5の構成図である。It is a block diagram of EO sensor 5 which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施の形態に係るEOセンサ6の構成図である。It is a block diagram of EO sensor 6 concerning a 6th embodiment of the present invention. EOセンサ2を人体通信に用いた場合の構成図である。It is a block diagram at the time of using the EO sensor 2 for human body communication. EOセンサ2を被測定デバイスの検査に用いた場合の構成図である。It is a block diagram at the time of using the EO sensor 2 for a test | inspection of a to-be-measured device.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3,4,5,6 EOセンサ
11 EO結晶
12,13 電極
11a,11b 膜
14 光源
15 光サーキュレータ
16 積分器
17a,17b 鏡
18a,18b 凸レンズ
DA 差動アンプ
PBS1,PBS2 偏光ビームスプリッタ
PD1,PD2 光検出器
LPF ローパスフィルタ
1, 2, 3, 4, 5, 6 EO sensor 11 EO crystal 12, 13 Electrode 11a, 11b Film 14 Light source 15 Optical circulator 16 Integrator 17a, 17b Mirror 18a, 18b Convex lens DA Differential amplifier PBS1, PBS2 Polarizing beam splitter PD1, PD2 Photo detector LPF Low pass filter

Claims (4)

電界の結合で屈折率が変化する電気光学結晶と、
この電気光学結晶に電界を結合させるための電極と、
前記電気光学結晶に光を入射させる光源と、
前記電気光学結晶からの光の出射面に形成された膜または当該出射面の奥に配置された鏡であって光を透過および反射する第1部材と、
前記電気光学結晶の前記光源からの光の入射面に形成された膜または当該入射面の手前に配置された鏡であって光を透過および反射する第2部材と、
前記第1部材から奥に出射する第1出射光を電気信号に変換する第1出射光検出器と
前記第2部材から手前に出射する第2出射光を取り出す偏光ビームスプリッタと、
この偏光ビームスプリッタで取り出した第2出射光を電気信号に変換する第2出射光検出器と、
前記第1出射光検出器と前記第2出射光検出器で変換された各電気信号を差動増幅する差動アンプとを備えることを特徴とする電気光学センサ。
An electro-optic crystal whose refractive index changes due to electric field coupling;
An electrode for coupling an electric field to the electro-optic crystal;
A light source for making light incident on the electro-optic crystal;
A first member that transmits and reflects light, which is a film formed on a light exit surface of the electro-optic crystal or a mirror disposed behind the light exit surface;
A film formed on the incident surface of light from the light source of the electro-optic crystal or a second member that is disposed in front of the incident surface and transmits and reflects light;
A first outgoing light detector for converting the first outgoing light emitted from the first member into the back to an electrical signal ;
A polarization beam splitter for extracting second emitted light emitted from the second member to the front;
A second outgoing light detector for converting the second outgoing light extracted by the polarizing beam splitter into an electrical signal;
An electro-optic sensor comprising: a differential amplifier that differentially amplifies each electric signal converted by the first outgoing light detector and the second outgoing light detector .
前記第1部材および第2部材で構成される共振器の、前記電気光学結晶に電界を結合させていないときの反射率を、該反射率の変化率が最も大きいときの反射率としたことを特徴とする請求項1記載の電気光学センサ。 The reflectance of the resonator composed of the first member and the second member when the electric field is not coupled to the electro-optic crystal is the reflectance when the change rate of the reflectance is the largest. electro-optical sensor of claim 1 Symbol mounting features. 前記差動アンプの出力から直流成分を検出し、この直流成分がなくなるように前記光源からの光の周波数または少なくとも一方の前記鏡の位置を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の電気光学センサ。 Claim 1, wherein detecting a DC component from the output of the differential amplifier, characterized by comprising means for changing the position of the frequency or at least one of the mirrors of the light from the light source as the DC component is eliminated Or the electro-optic sensor of 2 . 前記第1部材の前記第2部材に対する面と、前記第2部材の前記第1部材に対する面とを、凹形の球面とし、
前記第1部材の奥と前記第2部材の手前とに凸レンズを配置したことを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載の電気光学センサ。
The surface of the first member with respect to the second member and the surface of the second member with respect to the first member are concave spherical surfaces,
Electro-optical sensor according to any of claims 1 to 3, characterized in that a convex lens and in front of the back and the second member of the first member.
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